• ISSN 0258-2724
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提速道岔辙叉翼轨的加高值方案优化

张鹏飞 朱旭东 雷晓燕

张鹏飞, 朱旭东, 雷晓燕. 提速道岔辙叉翼轨的加高值方案优化[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(3): 602-610. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190488
引用本文: 张鹏飞, 朱旭东, 雷晓燕. 提速道岔辙叉翼轨的加高值方案优化[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(3): 602-610. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190488
ZHANG Pengfei, ZHU Xudong, LEI Xiaoyan. Optimization of Wing Rail Lifting Value for Rigid Frog of Speed-Up Turnout[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(3): 602-610. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190488
Citation: ZHANG Pengfei, ZHU Xudong, LEI Xiaoyan. Optimization of Wing Rail Lifting Value for Rigid Frog of Speed-Up Turnout[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(3): 602-610. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190488

提速道岔辙叉翼轨的加高值方案优化

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190488
基金项目: 国家自然科学基金(51768023);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ180290)
详细信息
    作者简介:

    张鹏飞(1975—),男,副教授,研究方向为轨道结构及轨道动力学,E-mail:zhangpf4236@163.com

  • 中图分类号: U213.62

Optimization of Wing Rail Lifting Value for Rigid Frog of Speed-Up Turnout

  • 摘要: 为研究固定辙叉结构不平顺对列车过岔动力特性的影响,基于岔区轮轨系统动力学及轮轨接触关系理论,以12号提速道岔固定辙叉为例,分别建立了翼轨不同加高设计方案下的辙叉模型以及CRH2型车车辆模型,在此基础上,深入分析了翼轨加高设计对列车过岔动力特性、过岔速度以及行车平稳性的影响规律. 结果表明:列车过岔时,随着翼轨向外弯折,其轮轨接触区域开始外移,并由此造成辙叉区轮对质心垂向位置的降低;通过设置合理的翼轨加高值,可有效降低辙叉区轨道的竖向结构不平顺,进而抑制轮对质心垂向位置的降低,提高列车过岔的平稳性及旅客乘车舒适度;固定辙叉翼轨加高设计,可有效改善列车直向过岔动力特性,但对侧向过岔效果有限;当加高值设置为3 mm时,翼轨加高优化的效果最佳,与无加高设计相比,加高后列车直向过岔第一轮对横向和垂向轮轨力最大幅值分别降低了45.8%和30.3%,车体横向及垂向加速度则分别降低了42.2%和26.1%;随着列车运行速度的提高,过岔时的轮轨动力响应也开始逐渐加剧,合理的翼轨加高设计将有利于提高列车的过岔速度. 研究成果可为我国铁路线路道岔固定辙叉的结构优化设计提供理论参考.

     

  • 图 1  LMA磨耗型车轮踏面

    Figure 1.  Wheel tread of LMA wear type in millimeters

    图 2  固定辙叉平面示意(单位:m)

    Figure 2.  Plan diagram of rigid frog (unit:m)

    图 3  各方案翼轨关键断面廓形对比

    Figure 3.  Comparison of key sections of wing rails

    图 4  固定辙叉空间力学模型

    Figure 4.  Spatial mechanical model of the rigid frog

    图 5  车辆-道岔系统仿真模型

    Figure 5.  Simulation model of the vehicle-turnout system

    图 6  辙叉侧轮轨垂向力

    Figure 6.  Vertical wheel-rail force on the frog side

    图 7  第一轮对横向轮轨力

    Figure 7.  Lateral wheel-rail force of the first wheel set

    图 8  第一轮对垂向轮轨力

    Figure 8.  Vertical wheel-rail force of the first wheel set

    图 9  第一轮对脱轨系数

    Figure 9.  Derailment coefficient of the first wheel set

    图 10  第一轮对轮重减载率

    Figure 10.  Wheel load reduction rate of the first wheel set

    图 11  第一轮对振动加速度

    Figure 11.  Vibration acceleration of the first wheel set

    图 12  车体振动加速度

    Figure 12.  Vibration acceleration of car body

    图 13  辙叉侧的横向及垂向轮轨力、轮对加速度、车体加速度以及脱轨系数随运行速度的变化趋势

    Figure 13.  Variations of lateral and vertical wheel-rail forces on frog side,vibration acceleration,vibration acceleration of car body,and derailment coefficient on frog side with running speed

    表  1  翼轨关键断面位置

    Table  1.   Position of key sections of wing rails

    断面名称 心轨顶宽/mm 距辙叉趾端距离/m
    A-A 1.400
    B-B 5 2.038
    C-C 50 2.738
    D-D 70 3.058
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    表  2  翼轨加高设计方案

    Table  2.   Design scheme for heightening the wing rail

    方案轨顶横坡翼轨加高值/mm
    A-AB-BC-CD-D
    11∶400000
    21∶4000.952.002.00
    31∶4001.433.003.00
    41∶4001.914.004.00
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    表  3  CRH2型车基本计算参数

    Table  3.   Basic calculation parameters of CRH2 vehicle

    符号参数名称取值
    ${M_{\rm{c}}}$车体质量/${\rm{kg} }$42 400
    ${I_{\rm{cx}}}$车体侧滚转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$7.06 × 105
    ${I_{{\rm{cy}}}}$车体点头转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$2.27 × 106
    ${I_{{\rm{cz}}}}$车体摇头转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$2.08 × 106
    ${M_{\rm{b}}}$构架质量/${\rm{kg}}$3 100
    ${I_{{\rm{bx}}}}$构架侧滚转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$5 045
    ${I_{{\rm{by}}}}$构架点头转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$2 806
    ${I_{{\rm{bz}}}}$构架摇头转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$2 247
    ${M_{\rm{w} } }$轮对质量/${\rm{kg}}$1 850
    ${I_{{\rm{wx}}}}$轮对侧滚转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$717
    ${I_{{\rm{wz}}}}$轮对摇头转动惯量/$({\rm{kg} } {\text{•} } { {\rm{m} }^2})$717
    ${K_{1{\rm{x}}}}$一系悬挂纵向刚度之半/$({\rm{N} } {\text{•} } { {\rm{m} }^{ - 1} })$2.80 × 107
    ${K_{1{\rm{y}}}}$一系悬挂横向刚度之半/$({\rm{N} } {\text{•} } { {\rm{m} }^{ - 1} } )$4.00 × 106
    ${K_{1{\rm{z}}}}$一系悬挂垂向刚度之半/$({\rm{N} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$1.22 × 106
    ${C_{1{\rm{x}}}}$一系悬挂纵向阻尼之半/$({\rm{N} } {\text{•}} {\rm{s} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$1.77 × 104
    ${C_{1{\rm{y}}}}$一系悬挂横向阻尼之半/$({\rm{N} } {\text{•}} {\rm{s} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$0
    ${C_{1{\rm{z}}}}$一系悬挂垂向阻尼之半/$({\rm{N} } {\text{•}} {\rm{s} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$0
    ${K_{2{\rm{x}}}}$二系悬挂纵向刚度之半/$({\rm{N} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$1.45 × 105
    ${K_{2{\rm{y}}}}$二系悬挂横向刚度之半/$({\rm{N} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$2.05 × 105
    ${K_{2{\rm{z}}}}$二系悬挂垂向刚度之半/$({\rm{N} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$1.48 × 105
    ${C_{{\rm{2x}}}}$二系悬挂纵向阻尼之半/$({\rm{N} } {\text{•}} {\rm{s} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$3.43 × 105
    ${C_{2{\rm{y}}}}$二系悬挂横向阻尼之半/$({\rm{N} } {\text{•}} {\rm{s} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$2.45 × 104
    ${C_{2{\rm{z}}}}$二系悬挂垂向阻尼之半/$({\rm{N} } {\text{•}} {\rm{s} } {\text{•}} { {\rm{m} }^{ - 1} })$3.16 × 104
    ${ {{r} }_{\rm{0} } }$车轮名义滚动圆半径/m0.460
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    表  4  计算结果对比

    Table  4.   Comparison of the calculative results

    结果来源轮轨力最大值/kN车体加速度/(m•s−2
    横向垂向横向垂向
    文献[4] 12.540 152.440 0.080 0.300
    本文 11.180 134.270 0.073 0.410
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    表  5  列车侧逆向过岔动力响应计算结果

    Table  5.   Calculation results of dynamic responses of the vehicle passing through the turnout in the flank direction

    方案横向轮轨力最大值/kN垂向轮轨力最大值/kN脱轨系数
    最大值
    轮重减载率
    最大值
    列车振动加速度最大值/(m•s−2
    车体轮对
    基本轨侧辙叉侧基本轨侧辙叉侧横向垂向横向垂向
    1 20.246 38.745 78.482 159.64 0.291 0.423 0.354 0.592 16.614 33.537
    2 20.486 37.426 76.395 160.659 0.279 0.401 0.371 0.621 13.623 29.633
    3 21.365 38.629 78.216 163.428 0.311 0.383 0.359 0.577 17.328 32.289
    4 19.872 39.112 77.386 158.366 0.296 0.395 0.396 0.599 15.496 33.978
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-27
  • 修回日期:  2019-07-30
  • 网络出版日期:  2019-09-18
  • 刊出日期:  2021-06-15

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